Drfopmern av vaenrafveren Heleå Opmzaon of hydro power producon operaons n Heleå Pera Huoson Maemasa veensaper Chalmers Tensa Hösola Göebor Examensarbee 2003 2004
Sammanfann Dea examensarbee handlar om a a fram en maemas modell för a lösa problemaen rn drfopmern av en mänd sammanopplade vaenrafsaoner som dea arbee är de åa saoner som ler nedsröms Osbysjön Heleå. Måle är a med uånspun från vaenllån pronosen för elprse urbnernas vernnsrader sam osnaden för e sar-och-sopp av e urbnarea sapa e försla ll vecodrfen av rafsaonerna för a maxmera de eonomsa ufalle. För a erhålla en lösbar maemas modell av drfopmernsprobleme jordes förenlnar av olnjäreer och dsonnueer den resulerande modellen är en lnjär opmernsmodell med helalsrav på vssa varabler vle jorde modellen lösbar. Modellen är e s lnjär helalsproblem och den mplemenerades modellernsspråe AMPL som använder lösaren CPLEX för a lösa probleme. De vsade s a planernen av en vecas drf av rafsaonerna Heleå sulle a över en veca a lösa ll opmale. För a nom rml d få fram e resula användes e färd ommando CPLEX som avsluar berännarna då de relava fele underser e önsa värde. Ja valde a använda och esplanera mn opmernsmodell för daa från veca 44 år 2003 och sedan jämföra denna drfopmerade örnn med den verla örnnen samma veca. Med e relav fel på 5 % fc ja fram en sllnad nä på 35.000 ronor mellan den drfopmerade och verla örnnen. Modellen an användas på vå ola sä: För de försa an användas för a analysera versamheen såväl varje rafsaon som en änslhesanalys med avseende på urbnen och elprs. För de andra an modellen efer jusernar och effevsernar av alormen användas som beslusunderla för a opmera produonen. II
Absrac The purpose of hs masers deree projec was o formulae a mahemacal model o solve a problem reardn he opmzaon of he producon operaons n several conneced hydro power saons. In hs projec we consder he eh saons locaed downsream Osbysjön n Heleå. For hs sysem we have nformaon abou he waer supply forecass of he elecrcy prce he effcency of he urbnes and also he cos conneced wh he sar-andsop of a urbne areae. Gven hs nformaon he oal of hs projec s o creae a ool for decson suppor for he weely operaon of he power saons whch o maxmze he economcal oucome. In order o oban a solable mahemacal model of he producon operaons smplfcaons of nonlneares and dsconnues were made resuln n a lnear opmsaon model wh neraly consrans on a subse of he varables. The model was mplemened n he modeln lanuae AMPL and solved by he solver CPLEX. The model urned ou o be oo lare o solve o opmaly whn a reasonable compuaonal me. Therefore I mplemened a ermnaon creron based on he relave objecve error. I chose o es my opmzaon model wh daa from wee 44 n 2003 and compare he resul o he producon plan acually mplemened for hs specfc wee. Wh a relave error of 5% I manaed o ncrease he economcal oucome by 35.000 SEK compared o he one mplemened. The model can be used for wo dfferen purposes: Frs can be used o analyze curren operaon pracce n each hydro power saon as well as o perform sensvy analyses wh respec o urbne echnoloy and elecrcy prces. Second afer adjusmens of he model and he replacemen of he curren sandard alorhm wh a more effcen adaped one he model can be used n a decson suppor ool for producon operaons. III
Förord Dea arbee är e 20-poäns examensarbee på cvlnenjörsproramme Tens Fys vd Chalmers Göebor. Arbee har uförs på uppdra av Sydraf Vaenraf AB Malmö och handlar om a drfopmera e vaenrafversbesånd för a maxmera de eonomsa ufalle under en vecas örnn. Arbee har påå under den sepember 2003 ll mars 2004 och avsluades med en redovsnn på e ompeensruppmöe Malmö för den södra reonen av Sydraf Vaenraf AB. Ja vll varm aca mn handledare och examnaor Ten Dr Ann-Brh Srömber för e orol söd och od hjälp arbee med den maemasa modellen. Ann-Brh har hela den funns ll hands och har verlen jobba för a ja sulle uppnå bäsa möjla resula. Ja vll även aca mn andra handledare professor Mchael Parsson som hjälp m myce arbee med rapporsrvnnen och som offrade en hel da på m enom a åa ll Malmö för a vara med och söa m under mn redovsnn. Ja vll ocså ra e sor ac ll mn handledare på Sydraf Vaenraf AB Joam Holfel som hjälp m med uppsaren av examensarbee och var e sor söd och fråeplan under arbees ån. Ja vll dessuom aca all övr personal på Sydraf Vaenraf AB Malmö som har hjälp m a hålla humöre uppe under den möra och uffa hösen. Framförall e sor ac ll Lef Larsson som ordnade onaen mellan m och Sydraf Vaenraf och Arne Nlsson som ano m som examensarbeare. Även ac ll mn rumsamra Inela Fransson som fc så u med mna sucar och sön och som alld sällde upp för m när mna hjärnceller srejade. Tll ss e ac ll de personer på drfcenralen Laholm och Sydraf Enery Tradn AB som säll upp och svara på alla mna fråor. Malmö 2004-03-12 Pera Huoson IV
Innehållsförecnn 1. Inlednn 3 1.1 Barund 3 1.1.1 Vaenrafen Svere 3 1.1.2 Sydraf AB 4 1.1.3 Sydraf Vaenraf AB. 4 1.1.4 Heleå. 5 1.2 Syfe 8 1.3 Problemsällnn. 8 2. Vaenrafproduon 9 2.1 Vaenrafen och dess omvnn.. 9 2.1.1 Allmän om vaenraf... 10 2.1.2 Så funerar e vaenrafver 10 2.2 Vaenurbner. 11 2.2.1 Kaplanurbner 11 2.2.2 En urbns vernnsrad 12 2.3 Den svensa elmarnaden...12 2.3.1 En avrelerad marnad... 12 2.3.2 Enerbörsen Nord Pool.. 14 2.3.3 Elspomarnaden. 14 2.3.4 Vad är de som syr elprse? 16 2.3.5 Sydraf Enery Tradn AB... 17 2.4 Problemformulern och defnoner av berepp... 18 2.5 Förusännar 20 3. En maemas modell av probleme.. 20 3.1 Avränsnnar och onsaner 21 3.1.1 Kosnader för sar av e vaenrafarea. 21 3.1.2 Fallhöjden...23 3.1.3 Tdsfördröjnnen... 24 3.1.4 Tdsonsanerna. 24 3.1.5 Tllrnnn och mellanllrnnn...24 3.1.6 Prspronos. 26 3.1.7 Vaenvärde. 26 3.2 Väsenla varabler 27 3.2.1 Vaenbalans 27 3.2.2 Maasnvolym.27 3.2.3 Flödesfördelnnen. 29 3.2.4 Vernnsradsurvor.32 3.2.5 Den effeva flödesfunonen... 33 3.2.6 Sarosnaden. 33 3.3 Besrvnn av den omplea modellen..... 34 4. En mplemenern av modellen 35 4.1 Hjälpvarabler. 36 4.1.1 Flödesfördelnnen. 36 4.1.2 Sarosnaden. 39 4.2 Lnearsern av den effeva flödesfunonen.39 4.3 Komple modell. 42 4.4 Analys. 43
5. Numersa expermen 44 5.1 Syfe.44 5.2 Tllförllhe hos ndaa.45 5.3 Jusernar av modellen.. 46 5.4 Lösnnsmeod 48 5.5 Resula... 50 5.6 Analys. 55 5.7 Refleoner från redovsnnen. 56 6. Slusaser och möjla forsännar. 56 6.1 Sammanfann av analys.. 56 6.2 Användnn av den maemasa modellen 57 6.3 Möjla förbärnar av modellen...... 57 7. Referenser.. 60 APPENDIX 2
1. Inlednn Vaenrafen är en enerälla med una eensaper; den är förnybar bll har hö vernnsrad och har förmåan a lara vaen och producera ener när den som bäs behövs. Tac vare od relernsförmåa an vaenrafen användas för a balansera elsyseme så a de larar de snabba svännnarna samhälles enerförbrunn. Vaenrafen är ros sn påveran av lvsmljöerna för måna arer en av de mes mljövänla enerällorna och den är med s sora ubrednnsområde påll och rafsyseme drabbas ne av avbro enslda vaenrafver. Dea försa apel nleds med en nroduon av föreae Sydraf AB och Sydraf Vaenraf AB och sedan följer en arlänn av vaenrafsuaonen Heleå som är opmernsobjee dea arbee. Kaple avsluas med en redoörelse för syfe med examensarbee och dess problemsällnn. 1.1 Barund Uppdrasvaren för dea examensarbee är Sydraf Vaenraf AB som är e helä doerbola ll Sydraf AB. Drfopmernen har uförs för Heleå som har sn uppsar Älmhul Småland rnner söderu enom Såne och slulen mynnar u Krsansadsraen. Vale av Heleå beror på a dea arbee är en forsänn av e dare examensarbee Opmal upprusnn av vaenraf Heleån [1] vle de för Heleå fnns bra daa för bl a rafsaonernas flödesfördelnn och urbnernas vernnsrader. Krafsaonerna Heleå llhör dessuom en aeor rafver som Sydraf Vaenraf AB e uveclnsproje försöer mnsa resurserna och admnsraonen för. Måle med dea proje är allså a mnsa den manuella drfplanernen och sälle försöa a lara denna planern m h a maemasa opmernsvery. 1.1.1 Vaenrafen Svere Den svensa vaenrafen sår för unefär hälfen av den oala elproduonen Svere. Sveres vå sörsa rafproducener Vaenfall och Sydraf AB sod år 2001 för 69 % av den oala enerproduonen lande och dessa vå domnerar llsammans med Forum även elhandelsmarnaden med cra 70 % av sluundsförsäljnnen [2]. De hydrolosa resloppe drver vår vaenrafsysem och de är enorma vaenmänder och sora rafer som omsäs dea reslopp. Solens värme får yvane hav sjöar och vaendra a avdunsa. Vaenånan ser ondenseras och bldar moln som förs n över land och er nederbörd form av ren och snö och naurens reslopp är slue. Vane åerförs ll vaendraen och en del samlas upp vaenrafverens maasn och an unyjas för rafproduon. Vaenmänden åar och älvar och landsapes höjdsllnader sapar förusännar för elproduon vaenrafver vle er Svere och framförall Norrland oda möjlheer ll sor vaenrafproduon. Den ener som an uvnnas ur e rafver sår dre 3
förhållande ll fallhöjden åner vaenmänden vle ör a vaendra med hö fallhöjd och/eller sor vaenflöde är mes lämpade för rafproduon. 1.1.2 Sydraf AB Sydraf AB rundades 1906 under namne Sydsvensa Krafaebolae och blev Sydraf AB 1977. Bolae bldades för a bya u Laans vaenrafver och förse de sörre sydsvensa säderna med elerce och 1909 sod den försa rafsaonen lar [3]. Ida är Sydraf AB e sorförea med 5300 medarbeare och e 35-al rörelsedrvande doerbola. I oncernen fnns förea som arbear med el nauras asol värme yla vaen och avlopp ener- och maeralåervnnn ur avfall enerhandel och ommunaonslösnnar. Sydrafaen noerades på Socholms fondbörs 1966. Föreae är versam Norden och Polen och hade år 2002 en omsänn på 19 383 mljoner ronor [4]. Sydraf når sedan maj 2001 den ysa E.ON-ruppen som är noerad på börserna Franfur och New Yor. Aerna äs ll 55 % av E.ON och 45 % av Saraf som äs av norsa saen. I E.ON-ruppen når e 50-al underoncerner och doerbola Europa och USA. Huvudonore ler Düsseldorf och oncernen har dry 100 000 ansällda och omsäer ca 750 mljarder ronor. E.ON är Europas sörsa prvaa enerbola med run 25 mljoner under nom främs el as och vaen [4]. Sydrafs srae nnefaar bl a en forsa llväx enom a dela onsoldernen av den nordsa elmarnaden. I november 2003 började uppöpe av enerbolae Granne AB och sedan januar 2004 äer Sydraf/E.ON 975 % av aerna bolae. Sydraf har lsom E.ON var deläare Granne sju år under vla Granne uveclas myce väl. Föreae är än som e myce mljöenaera bola. Grannes 30-al svensa vaenrafanlännar är eorafs beläna nära anslunn ll e fleral av Sydrafs och desamma äller en sor del av Grannes elnä. Dessa förhållanden sapar oda möjlheer ll samordnn av versamheerna. Därll har Granne en framånsr eablern Socholmsreonen som ompleerar Sydrafs övra eablernar Svere [5]. 1.1.3 Sydraf Vaenraf AB Sydraf Vaenraf AB är e helä doerbola ll Sydraf AB och dess versamhe omfaar elproduon och fjärrvärme. Elproduonen ser huvudsa mellersa Norrland södra Svere och Berslaen. Huvudonore ler Sundsvall men föreae har även medarbeare Laholm Malmö Umeå Göebor och Nora. Versamheen ser en processorenerad oransaon vle nnebär a versamheen leds av processäare och ompeensledare. Processäarens uppf är a leda och uvecla versamheen medan ompeensledarens är a leda och uvecla medarbearna sam a svara för a processerna har llån ll rä ompeens [4]. År 2002 var neoomsännen 1 792 mljoner ronor och medelanale ansällda 107 [6]. Sydraf Vaenraf AB svarar för all vaenrafproduon Sydrafoncernen vle mosvarar unefär en redjedel av oncernens oala elproduon. Den sammanlada effeen Sydrafs 105 vaenrafver är ca 2300 MW och normalårsproduonen är ca 106 TWh. Sörre delen av produonen näsan 9 TWh ser norrländsa rafver. Dessa ler 4
främs läns Umeälven Ånermanälven Indalsälven och Ljunan vla syrs och övervaas från Sundsvall. De sydsvensa rafveren fnns främs läns Laan Nssan och Äran vla syrs och övervaas från drfcenralen Laholm. Ue på rafsaonerna har Sydraf Vaenraf nen een personal uan söseln av rafveren örs av exerna enreprenörer. Tjänserna som upphandlas är av araären sösel llsyn felavhjälpnn och beredsap [3]. 1.1.4 Heleå [1] Heleå är med sn länd på ca 14 ml och fallhöjd på 136 m Sånes sörsa vaendra. Ån har s ursprun de småländsa hölande sjön Möceln norr om Älmhul rnner näsan ra söderu och mynnar u vå armar Hanöbuen vd Ynsjö söder om Åhus. Anale sjöar och vaendra som mynnar u ån är sor och efer halva sräcan enomrnner Heleå Osbysjön varfrån den varvarande sräcan ned ll Hanöbuen vaenflöde Heleå an releras. Uppsröms Torsebro llommer bflödena Bvarödsån och Almaån varav den senare är sörs och avvanar Fnjasjön sydväs om Hässleholm. Före uloppe enomrnner ån ocså nåra mndre sjöar varav Araslövssjön och Hammarsjön är de sörsa. Heleås oala avrnnnsområde (dränernsområde) är cra 4780 m 2 där de sörsa bdrae ommer från område söder om Osbysjön. Nederbördsområde för Genasorp är 2138 m 2 och för Torsebro 3673 m 2. Denna sora sllnad beror på alla bflöden där de sörsa Bvarödsån och Almaån oal bdrar med 1146 m 2. Fur 1.1: Kara över avvannsområde och placernen av rafveren läns Heleå. 5
Sydrafs vaenrafsubynad Heleå besår av no rafver varav åa ler söder om Osbysjön. Dessa är nedsröms räna Genasorp Ösanå Njura Broby Nöbbelöv Emsfors Knslne och Torsebro vla sa llodoöra s de vaen och den fallhöjd på 70 m som fnns a llå därfrån. I ån fnns nen dom för årsrelern vle medför a llrnnnen ll Osbysjön är hel orelerad. I sjön fnns doc e dyns- och vecomaasn med en relerhöjd på 35 cm vle mosvarar en maasnvolym på 17 Mm 3. Maasnapaceen är 14 TE/cm (menheer per cenmeer) vle nnebär a om neollrnnnen eller neoappnnen under en mme är 14 m 3 /s höjs respeve säns vaenyan med en cenmeer. Hela sräcan nedsröms Osbysjön är ubyd och samla rafver äs av Sydraf Vaenraf AB. Tllsammans producerar de cra 110 MWh under e normalår och har en maxmal effe på unefär 28 MW. Krafveren syrs och övervaas från drfcenralen Laholm som ser ll a e 60-al vaenrafver södra Svere unyjas på bäsa sä. Krafveren an enerell lassas som rena srömrafver vle nnebär a vaenrelernsmöjlheerna de enslda rafversdammarna är små och syrs främs från rafvere Genasorp. De fnns doc e vss urymme för separa dyns- eller mrelern Njura Broby Nöbbelöv och Torsebro (se Fur 1.2). Krafveren Heleå an relernsmäss beraas som endas vå; e på sräcan Genasorp Knslne som reel alld år med samma vaenförn och e Torsebro. Tllrnnnen från Bvarödsån och Almaån spelar sor roll för Torsebro vars vaenförn an bl avsevär myce sörre än de övras. Ubynadsvaenförnen d v s de maxmala flöde där är 70 m 3 /s medan de de övra rafveren ler mellan 40 och 50 m 3 /s. Vaenförnen från Osbysjön enom Genasorp syr allså näsan hel hur flöde enom rafveren nedsröms blr med undana av Torsebro. Vanes ånd från Genasorp ll Torsebro är dry 25 mmar vle har beydelse för hur uppsaren av rafveren måse se u. Eferhand som vane når respeve saon saras anlännen upp och dess producerade raf fasas n på elnäe. Torsebro som har e ee le sörre maasn an doc säas ån dare med avseende på vanes ånd från Genasorp. Maxmal produon an ynnsammase fall uppnås efer 35 mnuer men de förusäer a samla maasn as bru saröonblce. 6
Fur 1.2: Schemas bld över Heleås rafsaoner dess maasn och bflöden sam vanes ånd mellan de ola saonerna. Unyjande av vane Heleå syrs föruom av ovan nämnda fyssa beränsnnar även av vaendomar. I domen releras hur Sydraf Vaenraf AB får bya och drva rafveren och dammarna sam hur maasnen får unyjas och vane releras. Domarna ar hänsyn ll både behove av el och hur rafveren påverar samhälle och mljö. Den dom som fnns för Heleå säer bl a a vaenframrnnnen på sräcan Osbysjön Torsebro rafver får varera mellan 0 och 45 m 3 /s med undana under den 1 december 31 januar under oal 100 mmar då den llfäll får öa ll 50 m 3 /s. En annan dom beränsar relerhöjden för maasne Osbysjön ll 35 cm. I Heleås areauppsänn fnns nbyda beränsnnar re av de åa rafsaonerna form av propellerurbner. Dessa syr hur vane an appas från Osbysjön uan onöd spll vle ör a vaendomen praen ne påverar den normala drfen av rafsaonerna [1]. 7
Krafsaon/ Anlänn Anal area Effe [MW] Fallhöjd [m] Normalårsproduon [GWh] Ubynadsvaenförn [m 3 /s] Medelvaenförn [m 3 /s] Genasorp GNA 1 67 163 25 45 23 Ösanå ÖNÅ 2 22 64 75 47 23 Njura NRA 2 24 55 85 50 24 Broby BBY 2 38 90 14 50 25 Nöbbelöv NLV 2 44 107 16 48 26 Emsfors EMS 2 19 58 8 41 27 Knslne KLE 2 11 43 4 38 27 Torsebro TBO 1 60 105 24 70 38 Toal 14 285 685 107 Tabell 1.1: En övers av samla rafsaoner nedsröms Osbysjön Heleå. 1.2 Syfe Syfe med examensarbee är a a fram en modell för a lösa problemaen rn en drfopmern av e anal sammanopplade vaenrafsaoner. Vaenrafen Svere är ll sörsa delen hel ubyd vle nnebär a möjlheen ll nyproduon och yerlare ubynad näsan hel försvunn. Uveclnen har därför främs oncenreras på förvalnnen av de befnla rafveren och de har blv all vare a opmera drfen av dessa. En upprusnn eller effevsern av befnla rafver an öras enom måna ola yper av åärder. En effevsern an vara en förbärad srae då de äller vaenplanern och drfsä. Vaenrafen är en enerform där man har oda relernsmöjlheer vle ör a drfopmern baserad på vaenllån rafversbesycnn och enerprs är väld v. V ommer därför a dea examensarbee uvecla en modell för opmern av vaenrafver som ar hänsyn såväl ll elprs sarosnaden för e urbnarea llånen på vaen som ll eensaper hos de enslda rafsaonernas urbner. 1.3 Problemsällnn Uppfen är a a fram en modell för a drfopmera e vaenrafversbesånd som de här falle uörs av de åa rafver som ler nedsröms Osbysjön Heleå. De har dare jors flera examensarbeen nom Sydraf Vaenraf som berör ola delar av problemaen rn opmern av drfen e vaenrafver. Nåra av dessa är: Drfplanern för vaenrafver [19]; Sarosnader för vaenrafarea [20]; Opmal upprusnn av vaenraf Heleån [1]. Mennen med m exjobb är nu a bnda hop dessa delar ll e mer enerell och heläcande nsrumen för drfopmern och a sedan med hjälp av en maemas modell och en opmernsalorm maxmera de eonomsa ubye över en planernsperod som dea fall ommer a vara en veca. 8
Opmernen sall främs öras med avseende på vaenllån och elprs men sa allså även beröra vernnsrad och sar- och sopp-problema. De nressana och syrande delarna opmernen är a föruspå prspronosen på elener och a modellera relermaasne med dess va paramerar såsom llrnnn relerhöjd och maasnvolym. Även vernnsradsberoende ommer a byas n modellen. Även om dea examensarbee ommer a uå från Heleå och dess förusännar är måle a den maemasa modellen sa vara så flexbel och enerell a den an applceras på andra vaendra. 2. Vaenrafproduon Den svensa vaenrafproduonen har var och är forfarande väld v för de svensa närnslve. A få bll el levererad rä d på rä plas är av avörande beydelse för a lycas på världsmarnaden. Den nordsa avrelernen av elmarnaden har le ll hel nya förusännar för enerbranschen och de har blv all vare för enerföreaen a fnna osnadsmnsnnar och näsönnar för a öa sn lönsamhe och onurrensraf. Handeln med el ser numera sor usräcnn på den nordsa elbörsen Nord Pool och elprse följer uveclnen på spomarnaden som är Nord Pools fyssa elhandelsplas. De fnns e ydl samband mellan elspoprse och fyllnadsraden d v s den mänd vaen som fnns larad de nordsa vaenmaasnen vle nnebär a ju höre fyllnadsrad deso läre spoprs. Då maasnen är välfyllda fnns de möjlhe a producera sora mänder ener och därför fnns de e sor ubud på marnaden vle allså leder ll e läre prs. Dea apel nnehåller en arlänn av den svensa vaenrafproduonen där oncenraonen ler på hur e vaenrafver funerar. Sedan redoörs för den svensa elmarnaden enerbörsen och vaenrafproduonens nveran på elprse. Kaple avsluas med en dsusson om dea arbees förusännar och en verbal formulern av probleme där berepp och defnoner som åerommer enom hela arbee förlaras. 2.1 Vaenrafen och dess omvnn All elproduon har nåon form av mljöpåveran även om drfen av e vaenrafver jämförelse med andra produonsapparaer har en myce len sådan. Den er ne upphov ll förorennar eller usläpp uan är en nhems och förnybar enerälla. Byande av dammar och maasn har doc förändra förusännarna för måna sjöar och vaendra. Byande och relernen av vane påverar lvsmljöerna för växer djur och männsor. Vssa arer ex laxen som är dre beroende av srömmande vaen påveras neav. Denna påveran på mljön ompenseras på ola sä enom avfer och åärder. Krafbolaen bealar bl a byde- och fseavfer som an användas läns de ubyda vaendraen för ola ändamål som är ll nya för samhälle och mljö. 9
2.1.1 Allmän om vaenraf Vaenraf för elproduon Svere sarade Halland där den försa eneraorn snurrade ån Vsan år 1882. Konsen a använda vaen som enerälla är doc myce äldre än så. Redan under anen användes vaenhjul för a uföra meansa arbeen. Vaenrafen har haf sor beydelse för de svensa samhälles uvecln. Tllånen på säer och bll el har spela och spelar forfarande sor roll för svens ndusrs framånar på världsmarnaden. Måna av Sydrafs vaenrafver bydes under 1900-ales försa decenner och är da eablerade delar av ulurmljöerna läns åar och älvar. Sveres oala enerförbrunn per år är ca 400 TWh varav 140 TWh är elener. I Svere fnns omrn 1400 vaenrafver varav 700 är småsala anlännar. Den svensa defnonen på småsalhe är vaenrafver som an leverera en effe om maxmal 15 MW. Under e år med normal llrnnn fnns Sveres vaenrafver apace a producera 642 TWh vle mosvarar unefär 45 % av landes oala elproduon. Den hösa årsproduonen hlls uppnåddes år 2001 med 784 TWh. Vaenrafsproduonen an varera raf beroende på llrnnn och maasnnnehåll. De fnns doc möjlhe a lara vaen maasn under orare eller länre d och den maxmala larnsvolymen de svensa vaenmaasnen mosvarar en produon på 336 TWh [2]. Som referens an nämnas a en eluppvärmd vlla under e år förbruar unefär 25 MWh el. Redan på 60-ale besluade Sveres Rsda a fyra älvar Vndelälven Torne älv Pe älv och Kalx älv sa förbl oubyda. Även älvar och åar med befnla vaenrafanlännar är ubynadsmöjlheerna sar beränsade. El är en färsvara som produceras och levereras samma öonblc som den används och den enda larnsmöjlheen är baerer. De sända varaonerna elförbrunnen måse följas upp av mosvarande varaoner elproduonen vle vaenrafen larar. En annan syra hos vaenrafen är dess llänlhe. Genom a produonsresurserna är fördelade på måna rafver påveras de oala rafsyseme ne nämnvär av llfälla avbro enslda vaenrafver [7]. 2.1.2 Så funerar e vaenrafver [8] Vaenrafen är en del av naurens reslopp. Värme från solen ör a vaen avdunsar från hav och sjöar och blr ll moln. När vaenånorna ser ll amosfären öar dess läesener. Från molnen faller ren och snö och när de renar och när snön smäler rnner vane bäcar och små åar ner ll de sora älvarna och u sjöar och hav och resloppe är slue. De mesa av nederbördens läesener förbruas under falle men en del åerfnns form av läes- och rörelseener vaendra sjöar och hav. De är denna läes- och rörelseener som unyjas vaenrafen. Vaenrafen byer på a vanes läesener va e anal se omvandlas ll elers ener. Läesenern unyjas på bäsa möjla sä enom a ren- och smälvane samlas upp rafverens maasn. För a uvnna enern unyjar rafvere sedan höjdsllnaden - fallhöjden - mellan vaenyorna maasnen dre uppsröms och dre nedsröms rafsaonen. Vanes raf får urbnen a snurra och när vane faller enom urbnen omvandlas läesener ll rörelseener. Turbnen drver eneraorn som slulen omvandlar 10
rörelseenern ll elers ener som va ransformaorn ransporeras u enom lednnsnäe ll samhälle. Vane srömmar n ll rafsaonen enom nae vars nlopp är äc av allerrndar som förhndrar drvved s renar och andra föremål a passera. Med urbnpådrae besämmer man sedan hur myce vaen som sa passera rafsaonen. En vaenrafsaon an la dre vaendrae eller en b vd sdan om. I srömrafver d v s saoner som ler vaendrae och där vaenrelernsförmåan är myce beränsad leds vane dre från nae n urbnen. Måna av Sveres rafsaoner ler bredvd vaendrae eller hel under jord och då leds vane enom analer unnlar och/eller uber fram ll urbnen. Vane från urbnen leds sedan va suröre llbaa ll ån enom en uloppsunnel. Suröres uppf är a säna vaenhasheen så a rörelseenern an as ll vara och på så sä öa den effeva fallhöjden över urbnen. Dessuom sa flöde de flesa fall avlänas från a omma uppfrån urbnen veral rnn ll a flöda u horsonell de nedre maasne. När vane har srömma u ur suröre flyer de vdare vaendrae ner ll näsa rafsaon eller u have. I vaenrafsdammar fnns även dammlucor som är placerade framför den ursprunla älvfåran. På våren och hösen när de är myce vaen älven an de hända a dammlucorna måse öppnas för a ne dammen sa svämma över. En del av vane ommer då a forsa enom dammen uan a passera rafvere s spllvaen. 2.2 Vaenurbner De fnns ola yper av urbner och vlen yp som väljs beror på en rafsaons apace fallhöjd och ubynadsvaenförn. De vanlase yperna är Pelon- Kaplan- och Francsurbner. Samla urbner rafsaonerna nedsröms Osbysjön är Kaplanurbner. En sor del av urbnenen år u på a modellera och esöra ola yper av urbner. Tllförlla meoder för modellprovnn har uarbeas och de är med uånspun från modelldaa som urbnllverare specfcerar och säer arannvåer på urbnens apace. Proven örs p a osnadssäl på modeller som ll sorleen är myce mndre än de verla urbnerna och förusännen för a dea sa funera är a eomers lformhe råder mellan modellsuaonen och den verla urbnen. Transformaonen från modelldaa ll verl suaon är väl använd och valderad och feluppsannar fnns abellerade för ola urbnyper [1]. 2.2.1 Kaplanurbner Kaplanurbnen uppfanns år 1913 av den öserrsa nenjören Vor Kaplan. Dessa urbner funerar som sora propellrar där vane flödar axell enom urbnen och specell umärande för dem är a propellerbladen an vrdas och därmed anpassas ll varerande flöden. Kaplanurbnen används vd låa fallhöjder upp ll 70 m och är en reaonsurbn där vanes ener före urbnen uörs av rörelseener och rycener. Vaenmassan ovanför urbnen rycer vane enom urbnen och får den på så vs a roera. Vanes rycener överförs allså ll rörelseener på den roerande urbnaxeln [8]. 11
De fnns fyra ola varaner av aplanurbnen. Den vanlase är den radonella aplanurbnen med relerbara ledsenor och löphjulsovlar s fullaplan. De andra yperna är varaner där annen ledsenorna är fasa med relerbara löphjulsovlar - semaplan - eller där löphjulsovlarna är fasa och ledsenorna är rörla - propelleraplan. Falle med fasa ledsenor och fasa löphjulsovlar är väld ovanl och har därför ne namn. De ola yperna sljer s å både osnadsmäss och vernnsradsmäss. I falle med måna rörla delar öas enerubye för e sörre drfområde samd som ocså llvernnsosnader och underhållsosnader öar [1]. Areauppsännen rafsaonerna nedsröms Osbysjön Heleå besår enbar av aplanurbner. Majoreen av dessa är av ypen fullaplan men nåra är av ola anlednnar av propelleryp. Flerale av rafveren bydes under 1950-ale och urusades då med vå ladana area. I början av 80-ale bydes Ösanå rafver u och fc e andra area en propelleraplan och p a e haver Emsfors under 1999 selopererades en fullaplanurbn ll a funera som en propelleraplan. Båda areaen Knslne är propellerurbner [1]. 2.2.2 En urbns vernnsrad Alla nu använda urbner har larade eensaper enom a de alla byer på samma eneromvandlnsprncp och besrvs av urbnevaonerna. Samla urbner har srömnnsförluser och därmed vernnsrader under 100 %. Erfarenhe har vsa a dessa förluser mnsar med öad sorle på areae och med öad fallhöjd. Vdare an de urbner uppså e fenomen som allas avaon som uppommer när de sasa ryce vane blr lå på rund av eensaper srömnnen. Trycsännnen väsan an leda ll en allonn då vane överår asform och ånblåsor bldas. Dessa blåsor ar sörre plas än vane och mnsar srömnnen och säner därmed vernnsraden. När ånblåsorna mploderar d v s åerår ll vaen bldas rycsöar som an leda ll unönn av maerale urbnen vle ocså säner urbnens vernnsrad [9]. 2.3 Den svensa elmarnaden Den svensa elmarnaden öppnades för onurrens 1996 och oober år 2000 var drömmen om en hel nords elmarnad med undana av Island uppfylld. Den nordsa elhandeln domneras forfarande av s blaerala aval men elspomarnaden som nu uör unefär en redjedel av all elhandel nom Nord Pool-område öar hela den och de är dea elprs som syr den övra elhandeln. 2.3.1 En avrelerad elmarnad Den försa januar 1996 avrelerades den svensa elmarnaden enom a en ny la nfördes. Syfe med den nya laen var a öa onurrensen på elmarnaden öa valfrheen för onsumenerna och sapa förusännar för en effev prsbldnn enom öppen och öad handel med el. Konurrens nfördes allså för handel och produon av el medan näversamheen överförnen av el förblev e relera monopol. 12
Den svensa elmarnaden före 1996 bedrevs prncp som en versamhe under monopol. Inom varje eorafs område fanns endas e dsrbuonsförea och rafproduonen domnerades av e fåal sora förea. Den amla ellaens besämmelser om eldsrbuon byde på e sysem med oncessoner d v s llsånd från myndheer. De var då ne llåe a bya eller använda sarsrömslednnar uan särsl llsånd en s oncesson. För a mldra effeen av den monopolsuaon som oncessonssyseme medförde var oncessonsnnehavaren syld a relera prs och vllor för leverans sam överförn och nöp av sröm. Vdare hade nnehavaren moannspl d v s var vnad a öpa el som producerades mndre rafanlännar nom oncessonsområde [2]. I och med den nya laen blev elmarnaden öppen för alla aörer och onsumenerna unde fr välja sn een elleveranör. Doc ällde ända fram ll den försa november 1999 syseme med mmänn vle nnebar a onsumenen mo en osnad var vunen a nsallera en särsld mäare vd bye av leveranör. Konurrenssuaonen hårdnade för de svensa rafproducenerna och enerbranschen förändrades maran. Nya aörer eablerades och en onsoldern av äande nleddes då de sora rafbolaen öpe upp mndre onurrener för a öa sna marnadsandelar. Ida är elproduonen hö rad åer en oncenrerad ll e fåal förea. De sex sörsa elproducenerna sår för ca 93 % av landes elproduon. Sydraf befann s fram ll 1996 en loal/reonal monopolsuaon där de själva unde säa elprserna för de under som befann s nom s eorafsa versamhesområde. Efer laens nförande ändrades dea och numera ser produon och försäljnn av el onurrens med övra aörer enerbranschen. Den nya onurrenssuaonen har le ll en beränsad möjlhe a påvera näerna och sälle har de enslda produonsanlännarnas lönsamhe blv en avörande faor för om föreae på lån s sa behålla sn poson som en av de ledande elproducenerna Svere [3]. Nore var förs av de nordsa länderna a avrelera sn elmarnad vle jordes januar 1991. Grunden för de övra ländernas avrelern lades The new Enery Ac som uppfördes 1990. Nore och Svere blev e emensam enermarnadsområde 1996 då de nya svensa reelvere nfördes. Fnland c med 1998 och väsra Danmar jul 1999. Vsonen om en hel nords elmarnad med undana av Island blev verlhe oober 2000 då ösra Danmar c med samarbee [10]. Norden är de område Europa som omm läns sn srävan a avrelera elmarnaden. Även Sorbrannen och Tysland ler lån framme dea arbee. Enl EU:s drev sa alla länder nom unonen ha öppna sna marnader för onurrens senas 2007 [11]. Avferna för a sca el över landsränserna är nu hel borana och alla nordsa länder uom Island delar da på den nordsa elbörsen. Elnäen är öppna för alla som vll handla med el och näversamheen releras och övervaas av nämyndheen respeve land Svere av Affärsvere Svensa Krafnä. För a säersälla a den onurrensusaa versamheen (produon och handel) ne blandas med monopolversamheen (överförnen av el) måse dessa bedrvas separaa jurdsa enheer. De är allså ne llåe för en och samma jurdsa person a bedrva produon och handel med el respeve överförn av el. Dea underläar för elhandeln och näversamheen så a dessa sruurell och äarmäss an uveclas oberoende av varandra. Vnnarna på den svensa avrelerade elmarnaden var början unden och saen. I slue av 1990-ale var elprse myce lå och sluunderna unde öpa sn el för en myce bll 13
slan. Men den prssännn som den fra marnaden åsadom har snabb äs upp av de saehöjnnar som enomförs. De låa elprse har e saen urymme a höja saerna och sedan avrelernen 1996 har saen höjs med 134 % (oober 2003). Den oala osnaden för hushållsunder har öa medan ndusrunder som är befrade från saer har få en läre osnad [2]. Fördelarna med en nords elbörs är a de nordsa rafanlännarna an unyjas på e eonoms bra sä. I försa hand ör man de anlännar som är bllas drf d v s vaenrafver och ärnrafver vle ocså ynnar mljön. När v behöver mer el måse de rafanlännar som drvs med fossla bränslen saras vle är dyrare och har en sörre mljöpåveran [2]. 2.3.2 Enerbörsen Nord Pool Nord Pool AS är den nordsa elbörsen där aörer från Svere Nore Danmar och Fnland an handla med el. Elproducenerna som vll sälja el möer här leveranörerna som sn ur öper el och säljer vdare ll sluunder. Vssa sluunder ex sora ndusrer handlar själva på elbörsen och år ne va en leveranör [12]. Nord Pool AS bldades 1993 och äs ll 50 % vardera av de naonella näveren Sane SF Nore och Affärsvere Svensa Krafnä Svere. Nord Pool är världens enda mulnaonella börs för handel med elers ener. Föreae har över 90 ansällda på huvudonore Oslo och på flalerna Socholm Helsnfors och Odense [10]. Elhandeln mellan de nordsa länderna sedde dare endas enom blaerala aval d v s drea överensommelser mellan vå parer om öp och försäljnn av el. Sedan Nord Pool öppnades år allmer av försäljnnen enom denna marnadsplas där prse besäms av ubud och eferfråan. Köparen av el läer sedan på en marnal för försäljnnsomosnader undadmnsraon rs och vns vle er sluprse exlusve sa för onsumenerna. Den avrelerade marnaden an nnebära sora prsfluuaoner precs som nom andra branscher där prse på råvaran de här falle el syr prse på sluproduen. Nord Pool oranserar handel med el på en fyss marnad elspomarnaden på en fnansell marnad elermnsmarnaden sam erbjuder clearnjänser. På elspomarnaden öps och säljs elonra som prncp äller omedelbara fyssa elleveranser. Elermnsmarnaden är en hel fnansell marnad för prssärn och rssyrnn. Tdshorsonen är upp ll fyra år och onraen är ndelade dyn vecor bloc säsoner och år. Clearn nnebär a Nord Pool reducerar rsen e onra enom a själv å n som en onraspar [2]. 2.3.3 Elspomarnaden Nord Pools fyssa elhandel Norden spomarnaden förvalas numera av Nord Pool Spo AS som eablerades som förea den 2 januar 2002. Föreae äs av Nord Pool AS Sane Svensa Krafnä och Fnrd med vardera 20 % medan reserande 20 % delas la mellan de vå dansa sysemansvara föreaen Elra på Jylland och Elraf Sysem på Själland [10]. 14
Den fyssa elhandeln omfaar överensommelser om onra rörande elleveranser de påföljande dyne. Handeln på spomarnaden an lnas vd en auon. Senas locan olv daen nnan de dyn handeln äller måse börsens medlemmar öpare och säljare läa sna bud där de aner hur myce de vll öpa eller sälja vd ola prsnvåer mme för mme under hela de ommande dyne. Basera på dessa bud onsruerar Nord Pool ubuds- och eferfråeurvor för varje mme och särnnspunen dem emellan uör sysemprse för el (se fur 2.1). Efersom aval an sluas mellan parer hela Norden måse de emellerd fnnas llräcl överförnsapace för a leveranser från den ena paren ll den andra sa unna uföras. Sysemprse beränas under anaande a de ne föreommer nåra beränsnnar överförnsapaceen mellan länderna. Om de vsar s a apaceen är ollräcl juseras prse de auella länderna enom en apacesavf. Denna avf uör sllnaden mellan sysemprse och prsområdesprse de områden mellan vla apaceen är ollräcl. Avfen juserar ned prse områden med översosproduon och juserar upp prse områden med undersosproduon. Dea är orsaen ll a elprserna ne alld är de samma mellan de nordsa länderna. Efersom el som sa dsrbueras enl blaerala onra ocså ransporeras elnäe måse säljaren e sådan onra anmäla försäljnnen som e öp de land unden befnner s. På så sä säersälls a överförnsapaceen är llräcl och dessa aval haneras härvd som en elermn [3]. Fur 2.1: Schemas bld över berännen av sysemprse. Vd budvnnen an varje aör använda s av en budsee med upp ll 64 ola prsnervaller mellan 0 norsa ronor och 16 500 norsa ronor per MWh. Under sommarhalvåre säns doc prsae ll 5 000 norsa ronor per MWh [13]. Prsänslheen är försås påal. Om prse överser e vss prs anse de lönar s a dra ån de ena rafvere och bara öpa le el va börsen. Om prse blr r hö anse öparen d v s leveranören överår ll a bl säljare producen av el. Transaonsosnaden på spomarnaden ler på 025 norsa öre per MWh [13]. Elspomarnaden omsae år 2002 dry 124 TWh vle är nära en redjedel av den oala elhandeln Norden. Forfarande besår allså handeln framförall av drea aval mellan vå parer. En fördel med börshandeln är a 15
ransaonsosnaderna är läre jämför med handel va blaerala aval [2]. Spomarnaden uör en prsreferens för Nord Pools ermnsmarnad och den övra elmarnaden. Sydrafs rafver säljer den sörsa delen av sn elproduon ll Nord Pool-prser och de är en av 250 europesa aörer som dalen är med och säer prse på elbörsen. Spomarnaden är bara öppen för nordsa under medan ermnsmarnaden är llänl för alla. Sydrafs försäljnnsbola öper allså n sn el ll dea Nord Pool-prs. Sydrafs försäljnnsbola an lnas vd e rosssförea som lever på den marnal som uör sllnaden mellan nöpsprs och försäljnnsprs. Elen säljs sedan vdare ll en Sydrafund och prse beror av vle aval unden vll ha [14]. Tros a Sydraf är en sor elproducen så var dess marnadsandel på elbörsen under 2001ne sörre än 7 8 procen [15]. 2.3.4 Vad är de som syr elprse? Förs måse nnebörden av bereppe elprs laröras. De sammanlada prs sluunden får beala är e prs för elener en näavf och saerna sam elhandelsbolaens vnsmarnal. De som behandlas här är endas den försnämnda omponenen d v s elprse för ener efersom de är dea prs som ommer elproducenen llodo. Den 1 januar 2003 sod prse på elener för 40 % näavferna för 20 % och saerna för 40 % av de oala elprse för en und med eluppvärmd vlla. Ida sår saen för över 50 % av oalprse och de är unefär en redjedel av de oala elprse som år a påvera enom e av val av elleveranör och aval. Moms på elener uppår ll 25 % och läs på elprse nlusve enersaen. Indusrnärnen ruvnärnen växhusnärnen jordbru sosbru och vaenbru undanas hel från elsa. Som dare sas är de marnaden som syr prse d v s ubude och eferfråan på el. Eferfråan syrs på or s av emperauren och på lån s av den allmänna eonomsa suaonen de eorafsa område som uör elmarnaden. Ubude påveras på or s av nederbördsmänden och på lån s av den apace som fnns produonsanlännarna [3]. Mänden ener som an produceras vaenrafver är fullsänd beroende av llrnnnen vaendraen vle sn ur beror på väderförhållandena under åre. De år då nederbördsmänden är sor s våår är llånen på vaen rafverens maasn vevs sörre än när nederbördsmänden är mndre s orrår. Exrema orrår ex 1996 an produonen vara så lå som 51 TWh medan den våa år an uppå ll dry 78 TWh [2]. Under hösen år 2002 var llrnnnen de svensa och norsa vaenmaasnen de läsa på 50 år och med anlednn av denna vaenbrs öade elprserna på den nordsa elbörsen under slue av åre maran. De svensa rafsyseme byer på en mx av vaenraf ärnraf och övra enerällor. År med lå vaenllrnnn produceras mer el ärnrafveren vle er en öad produonsosnad. De rörla osnaderna nlusve sa för vaenrafen uppsaas ll mellan 3 och 7 öre/wh och för ärnrafen ll unefär 8 öre/wh [2]. Sörre delen av vaenrafen fnns Norrland medan ärnraf och övra enerällor oncenreras ll södra Svere där den sörsa elförbrunnen fnns. Kapaceen är oal se anpassade ll när behove är som sörs d v s alla vnerdaar [7]. 16